JP5579933B2

JP5579933B2 - 変化する入力電圧源用のｌｅｄスイッチング回路

Info

Publication number: JP5579933B2
Application number: JP2013523462A
Authority: JP
Inventors: ワ・ヒン・ラング; ジョニー・シウ
Original assignee: ホエジョウ・ライト・エンジン・リミテッド
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: JP2013536548A; AU2010358999A1; SG187810A1; CN102378443A; EP2604093A4; TW201208467A; WO2012019389A1; EP2604093A1; AU2010358999B2; EP2604093B1; TWI473526B; CN102378443B; KR20130036327A; US8508140B2; HK1164030A1; US20120038285A1

Description

本PCT出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、2010年8月12日に出願した米国仮特許出願第61/373,058号の利益を主張するものである。

本発明は、LED光源を駆動する際に使用されるスイッチング回路に関する。詳細には、LEDが調整された電流源によって駆動される回路に関する。

通常、LEDを流れる電流を調整し、したがってLEDの光出力を維持する電流源によってLEDを駆動することが可能である。図1は、LED回路を駆動するための典型的な回路を示し、この回路において、Vは入力電圧源であり、DはLEDのストリングを表し、Gは電流源である。そうした回路では、電流がDを流れるように、Vの電源入力電圧を、LED Dの順方向電圧より高くしなければならない。

しかし、入力電圧源Vの電圧がDの順方向電圧よりもはるかに高い場合、大きな電圧降下が、電流源Gに現れる。そうしたことが起きることによって、特に電流源Gがリニア電流源である場合に、電流源Gにおいて著しい電力損失がもたらされる可能性がある。

本発明の第1の態様によれば、LEDアレイスイッチング装置は、それぞれが順方向電圧を有する、直列に接続された複数のLEDセグメントD1〜Dnと、複数のLEDセグメントに結合された電圧源と、LEDセグメントDl〜Dnの出力にそれぞれ結合された複数の定電流源Gl〜Gnであって、それぞれが、電圧源の電圧が増加すると、LEDセグメントがオンにされ、点灯されて、より高い順方向電圧のLEDストリングを形成し、電圧源の電圧が減少すると、直近に点灯したセグメントから始まって、セグメントがオフにされ、LEDストリングから取り除かれるように、電流調整状態と開状態との間で切り替え可能である定電流源とを備える。

別の態様では、LEDアレイスイッチング装置は、第1の出力と第1の出力に対して相補的な第2の出力との間でトグルする出力を有するトグルスイッチャーと、トグルスイッチャーの第1の出力に結合された第1のスイッチと、トグルスイッチャーの第2の出力に、および複数の定電流源に結合された第2のスイッチと、LEDセグメントDn〜Dlの出力にそれぞれ、および第1のスイッチに結合された複数の第2の定電流源GT1〜GTnとをさらに備え、トグルスイッチャーの第1の出力がアクティブな場合は、第1のスイッチが閉じられて第2の定電流源が無効にされ、定電流源がアクティブとなり、トグルスイッチャーの第2の出力がアクティブな場合は、第2のスイッチが閉じられて定電流源が無効にされ、第2の定電流源がアクティブとなる。

別の態様では、トグルスイッチャーの第2の出力がアクティブな場合は、トグルスイッチャーの第1の出力がアクティブな場合とは逆の順番でLEDセグメントがオンにされ、点灯される。

別の態様では、トグルスイッチャーは、20Hzより高い周波数でトグルする。

別の態様では、複数の定電流源のうちの連続した定電流源が、オンおよびオフにされ、その結果、複数の定電流源のうちの1つだけが、任意の所与の時刻においてLEDストリングを形成するLEDセグメントへ電流を供給する。

別の態様では、複数の定電流源のそれぞれが、LEDストリングを流れる電流を検出し、検出された電流に基づいてその定電流源を有効または無効にする回路を含む。

別の態様では、電圧源によって供給される電圧は、整流されたAC電圧信号である。

別の態様では、電圧源は、RCタイミング回路を有するトライアック調光機を含み、LEDアレイスイッチング回路は、電圧源および定電流源に結合されたブリーダー回路であって、バイパス抵抗器を含み、整流された入力電圧が十分に低くトライアックがオフであることを示す場合には、十分な充電電流がRCタイミング回路に供給されることを可能にするために、入力電圧両端間にバイパス抵抗器を接続するように、ならびに入力電圧が十分に高くトライアックがオンであることを示す場合には、バイパス抵抗器を切り離すように動作可能であるブリーダー回路をさらに備える。

本発明の別の態様によると、それぞれが順方向電圧を有する、直列に接続された複数のLEDセグメントDl〜Dnと、複数のLEDセグメントに結合された電圧源と、LEDセグメントDl〜Dnの出力にそれぞれ結合された複数の定電流源Gl〜Gnとを含む、LEDアレイを駆動する方法が提供される。本方法は、(a)電圧源の電圧が増加している場合には、定電流源のうちの連続した定電流源がオンにされて、LEDセグメントのより高い順方向電圧のLEDストリングを形成するようにし、定電流源のうちの他の定電流源を無効にして、その結果、複数の定電流源のうちの1つのみが所与の時刻においてLEDストリングを形成するLEDセグメントに電流を供給するようにするステップと、(b)電圧源の電圧が減少している場合には、ステップ(a)で行なわれたスイッチングとは逆の順番で定電流源のうちの連続した定電流源がオンにされて、LEDセグメントのより低い順方向電圧ストリングを形成するようにし、定電流源のうちの他の定電流源を無効にして、その結果、複数の定電流源のうちの1つのみが所与の時刻においてLEDストリングを形成するLEDセグメントに電流を供給するようにするステップとを含む。

別の態様では、電圧源が増加している場合に、LEDセグメントが、LEDセグメントのストリングに順次追加される。

別の態様では、電圧源が減少している場合に、LEDセグメントが、LEDセグメントのストリングから順次取り除かれる。

別の態様では、複数の定電流源における回路が、LEDセグメントに流れる電流を検知し、検知された電流に基づいて定電流源のそれぞれをオンにし、無効にする。

各図は、単に例示を目的としており、必ずしも縮尺通りではない。しかし、本発明そのものは、添付の図面と共に得られる以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解することができる。

電流源を利用する従来のLED駆動回路の回路図である。本発明の実施形態によるLEDアレイスイッチング用の回路の機能ブロック図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路を示す図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路を示す図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路を示す図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路を示す図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路を示す図である。本発明の実施形態による、電源電圧の様々な電圧レベルでの図2の回路を流れる電流経路示す図である。本発明の態様による、LEDの使用量を平均化するために任意に選択される1組の電流源を有する図2の回路の機能ブロック図である。図2に示される回路の実際の実施態様を示す回路図である。図5におけるノードAおよびB両端間の電圧波形の図である。図5における素子M1を流れる電流の図である。図5における素子M2を流れる電流の図である。図5における素子M3を流れる電流の図である。図5における素子DX1を流れる電流の図である。図5における素子DX3を流れる電流の図である。図5における素子DX4を流れる電流の図である。図5におけるAC主電源の入力波形を示す図である。図5の回路と共に使用することができるブリーダー回路の回路である。

図2〜14は、LEDアレイスイッチング装置の好ましい実施形態の態様を示す。整流されたAC電源などの変化する入力電圧源を使用して動作するLED照明装置に対して、本発明によるスイッチング装置は、LEDストリングを一連の複数セグメントに分割する。入力電圧が低い場合には、第1のLEDセグメントだけが点灯する。入力電圧が増加すると、LEDセグメントが次々と順番にスイッチされて、より高い順方向電圧のストリングを形成する。反対に、入力電圧が減少する場合には、順序が逆になり、セグメントは、最後に点灯したセグメントから始まって、ストリングから取り除かれる。

図2は、提案された回路の機能ブロックを示す。LEDストリングが、n個のLEDセグメントD1〜Dnに分割されると仮定されており、ここで、n>1である。各LEDセグメントは、1つまたは複数のLEDから構成されてよい。G1〜Gnは、無効にすることができ、すなわち、次に続く電流源からの電流検知信号によって開回路条件に変えることができる定電流源である。

次に図2の回路の動作を、VIの電圧がゼロから上昇していく場合について、図3A〜3Fを参照して説明する。VIの電圧がLEDセグメントD1の順方向電圧をわずかに超えると、図3Aに示されるように、電流は、LEDセグメントD1および電流源Glを通って流れ始める。電流源Glは、VIの電圧がさらに増加すると、LEDセグメントD1を流れる電流を調整する。図3Bに示されるように、VIがLEDセグメントD1とLEDセグメントD2の順方向電圧の合計値に達すると、LEDセグメントD2が導通し始める。LEDセグメントD2を流れる電流が、好ましくは電流源G2の調整値より低く設定されたしきい値にまで増加すると、電流源G1が、無効にされ、開回路になる。次に、図3Cに示されるように、LEDセグメントD1およびLEDセグメントD2を流れる電流が、電流源G2によって調整される。

図3Dは、VIが、電流源Gn-1がLEDセグメントD1〜Dn-1を流れる電流を調整する点にまで増加した場合の回路における電流経路を示す。さらにVIが増加すると、図3Eに示されるように、LEDセグメントDnが導通する。図3Fは、LEDセグメントDnを流れる電流が増加して、定電流源G1〜Gn-1にトリガをかけて、開条件となったときの電流経路を示す。

当業者には理解されるであろうように、図3A〜3Fに示されるスイッチングの順序は、VIの電圧が減少していくと、逆になる。具体的には、VIの電圧が十分に高く、調整された電流がLEDセグメントD1〜Dnおよび電流源Gnを通過する状況が、図3Fに示されている。VIが減少するとともに、Gnを流れる電流は減少し始め、しきい値を下回る点にまでなると、電流源Gn-1が有効になり、電流が、図3Eで示されるように電流源Gn-1を通って流れ始める。VIが、LEDセグメントD1〜Dnの順方向電圧の合計値の合計を下回る値にまで減少すると、図3Dに示されるように、LEDセグメントDnを流れる電流は、停止する。

上記の説明からわかるように、図2の回路において、LEDセグメントD1は、定電流源のいずれか1つが導通している場合に導通する。一方、LEDセグメントDnは、電流源Gnが導通している場合にのみ導通する。したがって、動作に際して、LEDセグメントD1は、LEDセグメントDnより頻繁に使用されることになる。図4は、LEDセグメントD1〜Dn間の使用量を平均化する回路のブロック図である。この回路は、図2の回路に追加された、1組の追加の電流源GT1〜GTn、および電流源設定トグルスイッチャーTS1を含む。

図4でわかるように、電流源設定トグルスイッチャーTS1は、2つの相補的な信号出力Qおよび

を有する。トグルスイッチャーTS1は、フリッカが視認されるのを避けるため、これらの出力が20Hzを超える周波数でトグルするように構成されるのが好ましい。トグルスイッチャーTS1のQがアクティブな場合、この出力に接続されたスイッチST1が閉じられて電流源GT1〜GTnが無効になり、スイッチS1が開く。この条件では、図4の回路は、図2に示される回路と本質的に同一であり、上記したように入力電圧VIの上昇または下降が起きると動作する。

がアクティブになり、Qが非アクティブになると、スイッチS1が閉じ、電流源G1〜Gnが無効になり、スイッチST1が開き、電流源GT1〜GTnが動作可能となる。この状況において、VIがゼロボルトから上昇していくと、図1の回路と違って、図2の回路で起きたのとちょうど反対に、Dnが最初に導通するセグメントとなり、続いてDn-1が導通する。したがって、時間とともに、各LEDの使用量が平均化されることになる。

図5は、n=3の場合の図2で示された提案された回路の実際の詳細な実施態様を示す。図において、AC220Vの主電圧源は、整流された信号である。ノードAおよびB両端間の電圧波形が、図6に示されている。LEDストリングは、それぞれが50Vの順方向電圧を有する4つのLED DX1〜DX4から構成され、3つのセグメントに分割されている。第1のセグメントは、2つのLED(DX1およびDX2)を有し、第2および第3のセグメントは、それぞれ、単一のLED(それぞれDX3およびDX4)を有する。

図でわかるように、トランジスターM1、抵抗器R1およびR11、トランジスターQ1、ならびにダイオードD1は、LED DX1およびDX2を駆動する定電流源を形成する。トランジスターM2を流れる電流がしきい値に達すると、トランジスターQ11がトランジスターM1をオフにする。

図7は、トランジスターM1の電流波形を示す。トランジスターM2およびM3における電流に相当する波形が、図8および9にそれぞれ示される。図10、11および12は、LED DX1、DX3およびDX4の電流波形をそれぞれ示す。LED DX1の電流はトランジスターM1、M2およびM3の電流の合計であり、LED DX3の電流は、トランジスターM2およびM3の電流の合計である。

図13は、AC主電源からの入力電流波形を示す。電源回線の半周期の大半を通して、電流は連続的であり、そのため回路が図5に示される任意選択のトライアック調光機とともに適切に動作する。トライアックがオフの場合に、トライアック調光機のRCタイミング回路用の電流経路を設けるために、任意選択のブリーダー回路を追加することができる。図14は、図5のノードAおよびBに接続するブリーダー回路の形態を示す。トライアックが導通していない場合、ブリーダー回路は、調光機に対して抵抗性負荷のように作用する。バイパス抵抗器110は、整流された入力電圧が低い場合(これはトライアックがオフであることを示す)、整流された入力電圧の両端間に接続するトランジスター2N60によってオンにされる。回路を完成するバイパス抵抗器を用いて、適正な動作を確実にするために、十分な充電電流をトライアック調光機の内部RCタイミング回路に供給することができる。整流された入力電圧が高い場合(これはトライアックがオンであることを示す)、バイパス抵抗器は、無駄な電力消費を最小限にするためにトランジスター2N60によって切り離される。

本明細書において特定の実施形態について例示し、説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、図示し説明した特定の実施形態の代わりに様々な代替のおよび/または等価の実施態様が用いられてもよいことが当業者には理解されるであろう。本仮出願は、本明細書で論じたすべての適合形態または変形形態を包含することが意図されている。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることが意図されている。

110 抵抗器
A ノード
B ノード
V 入力電圧源
D LEDストリング
D1 LEDセグメント
D2 LEDセグメント
Dn-1 LEDセグメント
Dn LEDセグメント
DX1 LED
DX2 LED
DX3 LED
DX4 LED
G 電流源
G1 定電流源
G2 定電流源
Gn-1 定電流源
Gn 定電流源
GT1 第2の定電流源
GTn 第2の定電流源
M1 トランジスター
M2 トランジスター
M3 トランジスター
TS1 トグルスイッチャー
2N60 トランジスター

Claims

それぞれが順方向電圧を有する、直列に接続された複数のLEDセグメント（D1〜Dn）と、
前記複数のLEDセグメントに結合された電圧源と、
LEDセグメント（Dl〜Dn）の出力にそれぞれ結合された複数の定電流源（Gl〜Gn）であって、それぞれが、前記電圧源の電圧が増加すると、LEDセグメントがオンにされ、点灯されて、より高い順方向電圧のLEDストリングを形成し、前記電圧源の電圧が減少すると、直近に点灯したセグメントから始まって、セグメントがオフにされ、前記LEDストリングから取り除かれるように、電流調整状態と開状態との間で動作可能であるように構成された定電流源と、
第1の出力と前記第1の出力に対して相補的な第2の出力との間でトグルする出力を有するトグルスイッチャーと、
前記トグルスイッチャーの前記第1の出力に結合された第1のスイッチと、
前記トグルスイッチャーの前記第2の出力に、および前記複数の定電流源に結合された第2のスイッチと、
LEDセグメント（Dn〜Dl）の出力にそれぞれ、および前記第1のスイッチに結合された複数の第2の定電流源（GT1〜GTnとを備え、
前記トグルスイッチャーの前記第1の出力がアクティブな場合は、前記第1のスイッチが閉じられて前記第2の定電流源が無効にされ、前記定電流源がアクティブとなり、
前記トグルスイッチャーの前記第2の出力がアクティブな場合は、前記第2のスイッチが閉じられて前記定電流源が無効にされ、前記第2の定電流源がアクティブとなる、
LEDアレイスイッチング装置。
前記トグルスイッチャーの前記第2の出力がアクティブな場合は、前記トグルスイッチャーの前記第1の出力がアクティブな場合とは逆の順番で前記LEDセグメントがオンにされ、点灯される、請求項1に記載のLEDアレイスイッチング装置。
前記トグルスイッチャーが、20Hzより高い周波数でトグルする、請求項2に記載のLEDアレイスイッチング装置。
前記複数の定電流源のうちの連続した定電流源が、オンおよびオフにされ、その結果、前記複数の定電流源のうちの1つだけが、任意の所与の時刻において前記LEDストリングを形成する前記LEDセグメントへ電流を供給する、請求項1に記載のLEDアレイスイッチング装置。
前記の複数の定電流源のそれぞれが、前記LEDストリングを流れる電流を検出し、前記検出された電流に基づいてその定電流源を有効または無効にする回路を含む、請求項1に記載のLEDアレイスイッチング装置。
前記電圧源によって供給される前記電圧が、整流されたAC電圧信号である、請求項1に記載のLEDアレイスイッチング装置。
前記電圧源が、RCタイミング回路を有するトライアック調光機を含み、LEDアレイスイッチング回路が、
前記電圧源および前記定電流源に結合されたブリーダー回路であって、バイパス抵抗器を含み、前記整流された入力電圧が十分に低く前記トライアックがオフであることを示す場合には、十分な充電電流が前記RCタイミング回路に供給されることを可能にするために、前記入力電圧両端間にバイパス抵抗器を接続するように、ならびに前記入力電圧が十分に高く前記トライアックがオンであることを示す場合には、前記バイパス抵抗器を切り離すように動作可能であるブリーダー回路をさらに備える、請求項1に記載のLEDアレイスイッチング装置。
それぞれが順方向電圧を有する、直列に接続された複数のLEDセグメント（Dl〜Dn）と、前記複数のLEDセグメントに結合された電圧源と、LEDセグメント（Dl〜Dn）の出力にそれぞれ結合された複数の定電流源（Gl〜Gn）と、第1の出力と前記第1の出力に対して相補的な第2の出力との間でトグルする出力を有するトグルスイッチャーと、前記トグルスイッチャーの前記第1の出力に結合された第1のスイッチと、前記トグルスイッチャーの前記第2の出力に、および前記複数の定電流源に結合された第2のスイッチと、LEDセグメント（Dn〜Dl）の出力にそれぞれ結合された複数の第2の定電流源（GT1〜GTn）とを含む、LEDアレイを駆動する方法であって、
(a)前記電圧源の電圧が増加している場合には、
前記定電流源のうちの連続した定電流源がオンにされて、LEDセグメントのより高い順方向電圧のLEDストリングを形成するようにし、前記定電流源のうちの他の定電流源を無効にして、その結果、前記複数の定電流源のうちの1つのみが所与の時刻において前記LEDストリングを形成する前記LEDセグメントに電流を供給するようにするステップと、
(b)前記電圧源の電圧が減少している場合には、
ステップ(a)で行なわれたスイッチングとは逆の順番で前記定電流源のうちの連続した定電流源がオンにされて、前記LEDセグメントのより低い順方向電圧ストリングを形成するようにし、前記定電流源のうちの他の定電流源を無効にして、その結果、前記複数の定電流源のうちの1つのみが所与の時刻において前記LEDストリングを形成する前記LEDセグメントに電流を供給するようにするステップと、
(c)前記トグルスイッチャーの前記第1の出力がアクティブである場合には、
前記第1のスイッチを閉じ、前記第2の定電流源を無効にし、前記定電流源をアクティブにするステップと、
(d)前記トグルスイッチャーの第2の出力がアクティブである場合には、
前記第2のスイッチを閉じ、前記定電流源を無効にし、前記第2の定電流源をアクティブにするステップと、
を含む、方法。
前記電圧源が増加している場合に、前記LEDセグメントが、前記LEDセグメントの前記ストリングに順次追加される、請求項8に記載のLEDアレイを駆動する方法。
前記電圧源が減少している場合に、前記LEDセグメントが前記LEDセグメントの前記ストリングから順次取り除かれる、請求項8に記載のLEDアレイを駆動する方法。
前記複数の定電流源における回路が、LEDセグメントに流れる電流を検知し、前記検知された電流に基づいて前記定電流源のそれぞれをオンにし、無効にする、請求項8に記載のLEDアレイを駆動する方法。